П.А. Гилепп, технический директор ООО «Паровые системы». Конденсатоотводчик не требуется

В пятом номере журнала «Вестник арматуростроителя» Павел Гилепп, технический директор ООО «Паровые системы», опубликовал материал «Конденсатоотводчик не требуется». 

Предлагаем читателям, работающим в сфере пароконденсатных систем, провести небольшой экзамен среди своих коллег. А именно задать два вопроса. «Зачем нужны конденсатоотводчики?» Чаще всего ответ будет звучать приблизительно так: для отвода конденсата из паропроводов и теплообменного оборудования. Это правильный ответ, но он является ловушкой для второго вопроса: «Необходимо ли устанавливать конденсатоотводчик на выходе теплообменника?» К сожалению, ответ на этот вопрос чаще всего «да». И его нельзя назвать верным. Суть ошибки в подмене понятий.

Если функция конденсатоотводчика – отвод конденсата от теплообменника, то почему-то считается, что на выходе любого теплообменника следует устанавливать конденсатоотводчик. В проектировании, будь то масштабные проекты или разработки локальных обвязок паровых теплообменников, в подавляющем большинстве случаев мы увидим конденсатоотводчики на выходе теплообменников. Это считается типовым, но не всегда правильным решением. Наличие конденсатоотводчика в ряде случаев ухудшает теплообмен, а иногда делает технологический процесс и вовсе неудовлетворительным. Формально проектировщик может не ошибиться. Но в действительности игнорирование особенностей технологического процесса может серьезно осложнить жизнь заказчику. Что и происходит довольно часто в повседневной жизни. Что же касается продавцов трубопроводной арматуры, то ошибки возникают ее чаще, потому что задача продавца – продавать конденсатоотводчики. Что он и делает с большим рвением, рекомендуя направо и налево устанавливать конденсатоотводчики на теплообменниках.

Разберемся подробно, где таится подвох и почему пару «теплообменная установка + конденсатоотводчик» не обязательно ждет счастливое будущее. Существует ряд других способов обеспечить вывод конденсата и делать это так, чтобы теплообменный процесс не только не страдал, но и был максимально эффективным, как только это возможно.

Действительно, что касается автоматических дренажей паропроводов, их никто не отменял. И нет иных устройств, которые бы быстро, надежно и без участия человека выводили конденсат из паропровода. Конденсат – это паразитный продукт в любом паропроводе и его необходимо удалять так быстро, как это возможно, чтобы он не начал накапливаться. Что касается теплообменного оборудования, то в общем случае нет оснований утверждать, что на выходе теплообменника обязательно должен быть установлен конденсатоотводчик (рис. 1) и дело лишь ограничивается тем, какой тип предусмотреть и размер. Есть заблуждение, которое давно прижилось и которое порой очень трудно преодолеть. Оно состоит в том, что каким бы ни был теплообменник, чтобы он не нагревал, какая бы схема регулирования нагрузки не применялась, на выходе должен быть установлен конденсатоотводчик.

Вспомним, как работает конденсатоотводчик. Сделаем это обобщенно, даже без привязки к многочисленным типам этих устройств (термодинамическим, термостатическим, со свободноплавающим поплавком и пр.). Конденсатоотводчик – это клапан прямого действия, который определяет, когда ему открыться, чтобы выпустить конденсат, и закрыться, если в него попадает пар. Обратим внимание, что конденсат самостоятельно должен поступить в конденсатоотводчик и также самостоятельно из него выйти. Функция конденсатоотводчика – не пропустить через себя пролетный пар и выпустить только конденсат. Как двигается конденсат в трубе и как он проходит через клапан конденсатоотводчика? Так же, как и любая другая жидкая или газообразная среда – движение происходит от области с более высоким давлением в область с более низким давлением. То есть давление перед конденсатоотводчиком должно быть выше давления за ним. Если условия таковы, что давление стало одинаковым перед конденсатоотводчиком и за ним, конденсат никуда не потечет. Если при этом его все же необходимо удалять – как это выполнит конденсатоотводчик? Ни тип конденсатоотводчика, ни его размер, ни даже самый любимый бренд конденсатоотводчика у менеджера по продажам не сможет работать в таких условиях. Между тем на практике такие условия встречаются весьма часто.

Читатель может поинтересоваться, а как же работают сотни тысяч теплообменников с установленными на выходе конденсатоотводчиками. Ведь автор утверждает, что процент ошибок в выборе именно этого способа отвода конденсата очень велик. Ответ простой – множество теплообменников работают плохо или даже никак не работают. Если процесс важный и чувствительный, то операторы технологических установок попросту могут сливать конденсат в дренаж, поднимать давление пара, чтобы конденсат уходил, или придумывать иные способы. Ошибка в выбранном методе отвода конденсата часто приносит в жертву технологический процесс. Тем не менее многие пользователи могут просто не знать возможности теплообменников, потому что у них нет выбора. Зато есть утверждение: раз нужен конденсатоотводчик, его устанавливают. Если его не установить, будет пролетный пар и большие потери тепловой энергии. Как результат – повышенный процент брака продукции, заведомо более низкое качество, замедленный технологический процесс и т. п.

Так что же такого негативного может происходить в теплообменнике, что влияет на его работу? Поясним на примере. Один из важных критериев работы теплообменника – подтапливается ли он конденсатом или нет. Это и правда удивительно, но термин «подтопление теплообменника» мало кто слышал. Или слышал, но не придавал большого значения. Между тем именно подтопление является причиной большинства проблем с нагревом. Схема с конденсатоотводчиком не решает проблему подтопления.

Почему наступает подтопление? На рисунке 2 изображен теплообменник, на входе которого установлен регулирующий клапан, на выходе конденсатоотводчик. Конденсат направляется в протяженную конденсатную линию, распложенную на эстакаде на отметке 6 м относительно места расположения теплообменника. Это означает, что противодавление на выходе конденсатоотводчика минимум 0,6 бар. изб. Потерями давления при транспортировке конденсата для простоты пренебрежем. Пока нагрузка велика, регулирующий клапан открыт и давление пара в теплообменнике выше противодавления. При снижении нагрузки клапан прикрывается и в определенный момент давление пара в теплообменнике сравнивается с противодавлением в конденсатной линии или становится ниже его. В этот момент конденсат перестает уходить, потому что перепада давления не конденсатоотводчике нет. Температура продукта на выходе теплообменника снижается, автоматика приоткрывает клапан, давление пара в теплообменнике растет, после чего конденсат начинает уходить за счет наличия перепада давления. Описанный процесс сопровождается колебаниями температуры продукта. Сперва снижение из-за подтопления. Затем в зависимости от динамики процесса и настроек ПИД-регулятора происходят либо затухающие колебания температуры, либо плавный медленный рост температуры до уровня уставки. В любом случае процесс нагрева ухудшен либо сорван. Множество нагревательных установок не прощают подобных ошибок. Подтопленный калорифер для нагрева уличного воздуха может быстро разморозиться зимой. СИП-мойка медленнее осуществит цикл, задержав последующие процессы в цепочке. Реактор с паровой рубашкой испортит продукт. Кассета гофропресса нарушит склейку гофрокартона и так далее. Нет смысла перечислять десятки технологических процессов, где колебания температуры продукта недопустимы. Одним из способов решения проблемы в данном случае является установка перекачивающего конденсатоотводчика (рис. 3), который совмещает функцию конденсатоотводчика и насоса.

Не так давно произошел одновременно курьезный и серьезный случай. Инженер одной из крупнейших отечественных компаний, предлагающих трубопроводную арматуру, заявил заказчику, что если подтопление и возникает, то это неизбежный процесс, от него никак не избавиться. В качестве главного аргумента собственной правоты был описан факт продажи нескольких сотен обвязок калориферов с конденсатоотводчиками на выходе, где заказчик… ни на что не жаловался. Факт продажи и отсутствие жалоб после этой продажи и было главным доказательством, что подтопление если и есть, то ни на что не влияет.

Если условия более благоприятные и противодавления нет либо оно не вызывает колебаний температуры, например нагрузка не падает и давление пара не опускается до уровня противодавления, есть еще одна причина неудовлетворительного нагрева. Источником проблем является низкая скорость теплоносителя внутри теплообменника при использовании конденсатоотводчика. Именно низкая скорость провоцирует конденсат застаиваться внутри теплообменника. Когда пар поступает в теплообменник, выход которого заперт клапаном конденсатоотводчика, пар конденсируется. Конденсат под действием силы притяжения самотеком двигается по стенкам поверхности теплообмена и выводится через конденсатоотводчик. Чтобы конденсатоотводчик открылся и вывел конденсат, ему требуется небольшой подпор, то есть уровень конденсата. Пленка конденсата, двигающегося самотеком на поверхности теплообмена, заведомо ухудшает теплопередачу. На горизонтальных поверхностях конденсат может образовывать «пятна», где теплообмен хуже. На вращающихся поверхностях конденсатная пленка может концентрироваться по краям или по центру валов с паровым нагревом. Такие ситуации недопустимы, и от способа отвода конденсата напрямую зависит не просто качество технологического процесса, но и вообще возможность его выполнять. Скорость вывода конденсата в данном случае является принципиальной. От нее зависит равномерный нагрев. Есть множество технологических процессов в промышленности, где важен не просто вывод конденсата, но еще и гарантированное отсутствие конденсата на всей теплообменной поверхности. Например, в целлюлозно-бумажной промышленности с высокими требованиями к нагреву применяются либо каскадные схемы (рис. 5), либо и еще более совершенные рециркуляционные (рис. 6). Как мы видим, на выходе теплообменных аппаратов конденсатоотводчики отсутствуют в принципе. Если установить их на выходе каждого вала, это сродни катастрофе для технолога. Смысл обеих схем – обеспечить высокую скорость прохождения пароконденсатной смеси, чтобы не было даже минимальной вероятности какого бы то ни было застоя конденсата. Оттяжка пара с выхода требуется прежде всего для быстрого и полного освобождения от конденсата, и конденсатоотводчики здесь только вредят.

При конденсатном регулировании конденсатоотводчик тоже не требуется (рис. 7). Многие проектировщики, руководствуясь догмой о непременном его наличии, обязательно включают конденсатоотводчик в схемы. Причем ставят его иногда перед регулирующим клапаном, иногда после него. Тогда как самым правильным решением является не ставить его вовсе. Для этого есть две причины. Во-первых, функцию конденсатоотводчика выполняет регулирующий клапан. Именно он отводит конденсат и не допускает выхода пролетного пара. Но даже если хочется продублировать защиту и установить еще один, то окажется, что его почти невозможно подобрать.

Конденсатоотводчик подбирается по расходу и перепаду давления. Для правильного подбора необходимо знать давление перед и давление после конденсатоотводчика. Если он установлен перед регулирующим клапаном, то какое давление будет между ними? Если за регулирующим клапаном, то какое давление будет перед конденсатоотводчиком? В любом случае, чтобы быть уверенным, что конденсатоотводчик справится с задачей, необходимо, чтобы он пропускал требуемый расход и при максимальном и при минимальном перепаде. Поэтому даже для маленьких расходов приходится устанавливать неадекватно крупный конденсатоотводчик. Для примера, конденсатная линия на выходе теплообменника может иметь диаметр Ду15, а конденсатоотводчик, отвечающий требованиям обеспечить максимальный расход при минимальном перепаде, запросто иметь диаметр Ду50… Мало кто из проектировщиков отважится перейти с Ду50 на Ду15! Заказчик при этом получит заведомо избыточную систему и заплатит за нее соответственно, не получив никаких технических преимуществ. Ведь за эксплуатацию лишних элементов тоже придется платить.

Мир технологических процессов с использованием пара достаточно велик. Использование примитивных и кажущихся надежными схем с конденсатоотводчиками играет злую шутку с заказчиками. Они получают типовые одинаковые наборы обвязок на все случаи жизни, которые в дальнейшем вынуждены дорабатывать и адаптировать под конкретные условия своих технологических процессов, обращаясь к другим специалистам и организациям. И хорошо, если новый эксперт не предложит заменить старые конденсатоотводчики на «более эффективные и современные», что тоже случается. Хорошо, если внутренняя политика предприятия нацелена на успех не только на совещаниях, но и на деле. Современный информационный мир предлагает множество возможностей изучить тему и выбрать лучший вариант обвязки парового теплообменника, не ограничиваясь одним способом и помня, что специальное всегда лучше универсального.